변류기(CT) 2차측 개방

왜 배우는가: 변류기(CT)의 2차측 개방은 감전·절연파괴·철심 소손으로 이어지는 대표적 현장 사고 원인이다. 계기·보호계전기 교체 작업에서 반복되며, 정상 상태와 비교해 원인을 설명하는 문제로 자주 출제된다. 이 개념을 이해해야 CT 결선과 작업 절차를 답안에 논리적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제138회 1교시 6번, 제124회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 변류기(CT)는 1차 전류에 비례하는 2차 전류를 공급하는 계기용 변성기로서, 2차측 개방 시 2차 권선에 고전압이 유기되어 감전과 절연파괴를 일으키는 설비이다. 2차측 개방 시 2차 권선에 고전압이 유기된다

핵심 키워드

• 변류기(CT)
• 계기용 변성기
• 2차측 개방
• 기자력 평형
• 여자전류
• 자속 포화
• 단락 링크
• 한 점 접지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 계기와 보호계전기가 다룰 수 있게 하는 장치다. 1차 회로에 직렬로 연결되며 1차 회로의 전류를 그대로 흐르게 두고 2차측에 비례 전류를 만든다.

정식 정의는 교류를 감소시켜 1차 전류에 비례하는 전류를 2차측에 생성하는 계기용 변성기이다. 변류기는 측정 또는 보호 회로를 1차 계통의 고전압으로부터 분리한다.

1차 기자력은 1차 전류와 1차 권수의 곱이다. 2차 기자력은 2차 전류와 2차 권수의 곱이다. 정상 운전에서는 두 기자력이 서로 상쇄되어 철심의 자속이 매우 작게 유지된다. 이것이 변류기의 기본 원리다.

$N_1 I_1 \approx N_2 I_2$

여기서 N_1, N_2는 1차·2차 권수, I_1, I_2는 1차·2차 전류(A)이다. 2차 부하(burden)는 2차 회로에 연결된 임피던스로, 정격 부하 범위 안에서 정확도가 유지된다. 변류기 2차 정격전류는 관련 기준이 정한 표준 값으로 한다.

여자전류는 철심을 자화시키는 데 필요한 전류다. 2차가 개방되면 1차 전류 전부가 여자전류로 바뀐다. 그 결과 철심 자속이 급증한다.

자속 포화는 철심이 더 이상 자속을 받아들이지 못하는 상태다. 포화에 이르면 2차 권선의 유기 전압 파형이 찌그러지고, 철심 손실이 커져 과열이 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

큰 전류를 직접 계기에 넣으면 전선이 굵어지고 계기 부착이 곤란하며 위험하다. 계통의 전압과 전류를 저전압·소전류로 바꾸어 계측과 보호에 쓰려는 필요가 변류기를 만들었다. 변류기는 배전반의 전류계, 전력계, 차단기 트립코일 전원, 보호계전기 입력에 쓰인다.

보호계전기용 변류기는 고장 시 큰 전류 범위에서 정확도가 중요하다. 이 때문에 과전류 영역의 비오차를 보증하는 과전류정수 개념이 도입되었다. 과전류 영역에서 철심이 포화되면 비오차가 커져 보호 동작이 늦거나 틀어질 수 있다.

정상 상태에서 변류기 2차는 부하와 닫힌 회로를 이루어 기자력을 상쇄하는 전류가 흐른다. 이 조건이 깨지는 대표적 상황이 2차측 개방이며, 그래서 개방을 막는 절차와 대책이 필요해졌다.

4. 구성요소·원리·절차

변류기는 철심(코어)에 1차 권선과 2차 권선을 감은 변성기다. 1차 권선은 전력 계통의 전류가 흐르는 도체이고, 2차 권선은 계기나 보호계전기에 연결된다. 변류기의 1차 기자력과 2차 기자력은 서로 상쇄되어 철심의 자속을 거의 일정하게 유지한다.

원리는 다음과 같다. 1차 전류 I_1이 흐르면 철심에 교번 자속이 생기고, 2차 권선에 I_2 = \frac{N_1}{N_2} I_1 의 전류가 유기된다. 정상 운전 시 기자력 평형식은 다음과 같다.

$N_1 I_1 \approx N_2 I_2$

여기서 N_1, N_2는 1차·2차 권선 turns 수, I_1, I_2는 1차·2차 전류(A)다. 철심의 여자 기자력이 작으므로 2차 전류가 1차 전류에 비례한다. 2차 측 임피던스(부하)가 커지면 2차 권선에 필요한 유기 전압이 커지고, 철심이 포화에 이르면 비례 관계가 깨진다.

변류기 설치와 사용 절차는 다음과 같다.

• 1차 회로의 정격전류와 계기·계전기의 필요 정확도를 확인한다.
• 변류비와 2차 정격전류(관련 기준이 정한 표준 값)를 선정한다.
• 2차 회로의 부하 임피던스를 계산하여 정격 부하 이내인지 확인한다.
• 2차 회로를 한 점에서 접지하고 단자 결선을 점검한다.
• 운전 전 2차 측이 개방되지 않았는지 확인하고, 계기·계전기를 연결한다.
• 교체 작업 시에는 단자대의 단락장치로 2차 측을 먼저 단락한 뒤 분리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변류기는 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)에서 계기용 변성기의 설치와 접지를 다룬다. 보호계전기용 변류기는 과전류 범위에서 정확도를 보증해야 하므로 과전류정수(ALF) 개념을 함께 쓴다. 정확도 등급과 부하는 IEC 기준과 ANSI/IEEE 기준이 서로 다르게 표기된다. 아래 표는 본문에서 쓰는 기준값과 조건을 정리한 것이다.

표의 값은 계기용 변류기의 일반 기준이다. 2차 개방 금지는 설치기준과 작업 절차 모두에서 적용되는 원칙이다. 2차 측을 개방하면 1차 전류가 전부 여자 전류가 되어 철심이 포화되고, 2차 권선에 고전압이 유기된다.

6. 유형과 비교

CT는 용도에 따라 계측용과 보호용으로 나뉘고, 권선 형태에 따라 관통형(윈도우형), 권선형, 부싱형으로 나뉜다. 두 용도는 철심 설계와 정확도 기준이 달라서 같은 2차 개방 사고라도 나타나는 거동이 다르다.

계측용은 고장 전류가 들어와도 계기가 손상되지 않도록 포화가 빨리 일어나게 설계된다. 보호용은 고장 전류를 왜곡 없이 전달해야 하므로 포화 특성이 완만하다. 따라서 2차 개방 시 보호용 CT에서 과전압이 더 문제가 된다.